膜受体在空气污染致健康损害过程中的作用

姜碧杰，刘 扬，李聪敏，安 珍，吴卫东

（1.新乡医学院公共卫生学院，河南 新乡 453003；2.河南省空气污染健康效应与干预国际联合实验室，河南 新乡453003；3.新乡医学院肺病与分子治疗研究所，河南 新乡 453003）

空气污染物中比较常见的物质有颗粒物、臭氧、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等，其中颗粒物和臭氧是比较重要的大气污染物，也是目前研究最多的2种物质。可吸入颗粒物是反映大气质量的一个重要指标。颗粒物的理化性质和机体的营养、免疫状态决定其对机体造成何种损伤。大气颗粒物的健康危害效应与其颗粒大小密切相关，颗粒直径越小，吸附的有害物质越多，对人体危害越大。空气动力学直径≤2.5μm的细颗粒物（PM2.5）已经成为颗粒物对人体健康影响的关键问题。流行病学研究表明，长期接触污染空气会增加呼吸道感染的易感性。PM2.5的化学组成是对人体健康造成危害的重要因素。细颗粒物中所富集的有害重金属、有机物、硫酸盐和包括病毒、细菌等在内的其他致病污染物能直接进入人体的呼吸道和肺部，影响肺、心脏、大脑及其他脏器功能。研究发现，大气PM2.5浓度小幅增加即可使呼吸系统疾病患者的病死率升高，尤其是PM2.5可通过呼吸道进入肺泡，经过肺泡壁进入血液循环而到达其他组织器官，造成呼吸系统以外其他脏器的损伤［1］。臭氧是光化学烟雾的主要成分，其不是直接被排放的，而是转化而成的，比如汽车排放的氮氧化物，在阳光辐射及适合的气象条件下可以生成臭氧。随着汽车和工业排放的增加，地面臭氧污染在许多城市成为普遍现象，人类活动、汽车、燃料、石油化学工业等是臭氧的重要污染源。臭氧具有强烈的刺激性，主要是刺激和损害深部呼吸道，并可损害中枢神经系统，对眼睛有轻度的刺激作用。因为臭氧的强氧化性，其几乎能与任何生物组织发生反应。臭氧被吸入呼吸道后可很快与呼吸道中的细胞、流体和组织发生反应，导致肺功能减弱和组织损伤。对哮喘、肺气肿和慢性支气管炎患者的危害更为明显。此外，臭氧还能阻碍血液输氧功能，造成组织缺氧；还可引起潜在性的全身影响，如诱发淋巴细胞染色体畸变、损害某些酶的活性和产生溶血反应等［2-6］。

膜受体根据靶细胞上受体存在的部位可分为细胞内受体和细胞表面受体，其能与细胞外专一信号分子结合，进而激活细胞内一系列生物化学反应，使细胞对外界刺激产生相应的效应。受体与配体结合后发生分子构象变化，介导细胞间信号转导、细胞间黏合、胞吞等过程。Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）和 Nod样受体（Nod-like receptor，NLR）是两大介导天然免疫的感受器，能够对病原体入侵和组织损伤产生及时反应，募集天然免疫细胞启动组织修复过程。表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）是一个巨大的跨膜糖蛋白，具有配体诱导的酪氨酸激酶活性，广泛分布于哺乳动物的上皮细胞及人的成纤维细胞、胶质细胞、角质细胞等。芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AHR）是一种胞内转录调控因子，能够感受到外界环境中的异质物刺激并介导毒性反应。本文主要对以上4种膜受体在空气污染导致健康损害过程中的作用的相关研究进行综述，揭示膜受体在致病过程中的作用机制，以期为预防和控制空气污染对健康的危害提供科学依据。

1 TLR

TLR已成为近年来广受关注的一种病原体识别受体，主要表达在细胞或内噬体表面，其属于模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR），病原相关分子模式可被其辨别，然后引发一系列的信号转导。

TLR是非特异性免疫（天然免疫）的一类重要蛋白质分子，空气污染物可通过该家族受体激活机体的固有免疫反应［7-11］。为了研究TLR在颗粒物致呼吸道炎症中的机制，有学者探索敲除该家族中TLR2、TLR3、TLR4和 TLR5基因，将基因敲除鼠暴露于燃烧产生的颗粒物，结果显示，促炎因子水平升高的同时还伴随中性粒细胞聚集、气道阻力和气道高反应性，最后证实TLR2和TLR4在颗粒物致炎过程中发挥主要作用，二者通过结合下游的MyD88而激活炎症信号通路，介导炎症发生［12］。OAKES等［8］发现，TLR2激动剂 Pam3Cys能够增强臭氧对小鼠肺部固有免疫反应的影响，该研究在臭氧和激动剂Pam3Cys联合处理后检测小鼠全肺灌洗液中发现，白细胞介素-6、趋化因子CXCL1、巨噬细胞炎性蛋白和肿瘤坏死因子-α水平增加，同时巨噬细胞表面的膜受体TLR4、TLR2和TLR1蛋白表达较对照组增加。

在遗传损伤方面，基因与环境的交互作用可在一定程度上导致基因多态性的发生。FUERTES等［7］用6个出生队列研究炎症和氧化应激相关基因的多态性与儿童鼻炎发生率的关系，发现TLR4或肿瘤坏死因子的单核苷酸多态性与鼻炎发生率显著相关。除了基因多态性，DNA甲基化也在一定程度上反映了大气污染对健康影响的生物学作用。研究发现，大气污染物中的臭氧和颗粒物水平增加能明显提高TLR2基因的甲基化水平，同时也检测到了其他基因甲基化水平的变化，如组织因子F3、细胞间黏附分子1［13］。最近一项研究表明，空气污染导致TLR2基因甲基化水平升高，可能会增加老年人患不良心脏自主神经障碍的易感性，该研究通过膳食调节增加黄酮类物质的摄入量，能够降低TLR2甲基化水平，同时也减弱了该病的易感性，推测二者有一定的因果关系［14］。

2 NLR

NLR也是固有免疫针对病原微生物的一类感受器，主要表达于免疫细胞和上皮细胞等多种细胞的细胞质中，甚至部分家族成员主要表达于吞噬细胞和嗜中性粒细胞的细胞质中。细胞质中PRR对识别配体和信号转导均与膜型PRR不同，在机体固有免疫应答中发挥独特的功能。NLR家族能够识别细胞内危险信号分子，识别相应配体后能够激活caspase-1、核转录因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）和促分裂原活化蛋白激酶信号途径，促进炎性细胞因子的产生，从而启动固有免疫和获得性免疫。NLR蛋白 3（Nod-like receptor protein 3，NLRP3）是目前研究最多的受体之一，其在炎症发生过程中能够促进细胞因子白细胞介素-1β和白细胞介素-18的成熟和分泌。

CEVALLOS等［15］采集厄瓜多尔基多市市区和郊区7个地点的颗粒物，发现均能激活TLR2和TLR4信号通路，并且因颗粒物大小不同而有所差异。此外，空气中的颗粒物能够有效地激活NLRP3炎性小体。颗粒物引起的慢性炎性疾病表现为反复的粒子吞噬和炎性细胞死亡，这些过程大都是由炎性小体NLRP3介导。颗粒物被吞噬后，破坏溶酶体结构并释放出一种蛋白酶-组织蛋白酶B，这种酶在一定程度上可以激活NLRP3。但是，有学者利用小鼠原代巨噬细胞进行研究，发现颗粒物刺激后引起细胞死亡并不依赖NLRP3／caspase-1，而是依赖于一些组织蛋白酶；该研究还发现，抑制这些蛋白酶活性后，慢性炎症和细胞死亡现象也被抑制［16］。在人的呼吸道上皮细胞中，PM10激活NLRP3炎性小体和白细胞介素-1受体，最终通过激活一系列催化因子而活化树突状细胞和肺中性粒细胞［17］。烟雾刺激16HBE细胞后引起的NLRP3激活能够增加人肺泡巨噬细胞迁移［18］。重度慢性阻塞性肺疾病患者TLR4和核苷酸结合寡聚域蛋白-1水平明显升高，并且核苷酸结合寡聚域蛋白-1水平与CD8+细胞呈正相关［19］。

另外，NLR基因突变能够导致很多炎症性疾病的发生。有研究显示，CT型Nalp3（Ex4-849C＞T）和AG型caspase-1（Ex2+37G＞A）个体更容易患矽肺［20］。

3 EGFR

EGFR是ErbB受体酪氨酸激酶家族成员之一，在细胞生理过程中发挥重要的调节作用。EGFR是一种糖蛋白，属于酪氨酸激酶型受体，相对分子质量为170 000，广泛分布于哺乳动物上皮细胞、成纤维细胞、胶质细胞、角质细胞等细胞表面。位于细胞膜表面的EGFR需要与配体结合而激活，EGFR的配体包括表皮生长因子和转化生长因子-α。配体与受体结合后发生构象变化，EGFR由单体转化为同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性，进而激活一系列信号转导过程。

EGFR信号通路在空气污染导致的呼吸道损伤过程中发挥重要的作用。EGFR磷酸化启动了呼吸道上皮细胞信号通路，在组织修复及正常细胞的动态平衡过程中起重要作用。研究表明，PM2.5和臭氧暴露后会激活EGFR通路，进而引起呼吸道炎症反应［1，21］。PM2.5和 臭 氧 暴 露 后，小 鼠 的 EGFR（Tyr1068）磷酸化水平较对照组明显升高，并且随着臭氧浓度的升高，肺脏炎症呈浓度依赖性加重趋势，前炎性因子表达水平明显升高，此结果也在体外实验得到了进一步验证［1，22］。韩国学者 JEONG等［23］发现，PM2.5刺激引起EGFR升高的同时，也检测到了细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase 1／2，ERK1／2）丝裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK）磷酸化和 NF-κB乙酰化，抑制EGFR活性后，上述磷酸化和乙酰化水平明显下降，提示PM2.5可能通过EGFR-MAPK-NF-κB信号传导途径破坏呼吸系统。生物燃料烟雾可引起慢性阻塞性肺疾病，其特征是黏液细胞化生和黏液分泌增强。木材燃烧后产生的PM2.5能够诱导体外培养细胞MUC5AC分泌量增加，这个过程被证实是因为双调蛋白激活了EGFR-ERK信号通路；另外，EGFR-ERK信号通路反过来还能促进双调蛋白的合成，这种正反馈调节对气道持续分泌黏液起到了非常重要的作用［24］。

此外，环境中的重金属污染成分Zn2+能够诱导酪氨酸激酶磷酸化，包括Src和EGFR，阻断其激酶活性可以抑制Zn2+诱导的蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）激活和环氧合酶-2蛋白表达；但是，磷脂酰肌醇-3激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）抑制剂不能抑制Zn2+诱导的EGFR磷酸化，可能预示EGFR作用在PI3K的上游。ERK虽然是EGFR的下游，但是在此过程中不受影响，可能跟EGFR的其他通路有关［25］。事实上，EGFR能够直接募集并激活PI3K／AKT通路，而不受其下游成分ERK的影响。

4 AHR

多环芳烃源自工业工艺过程、缺氧燃烧、垃圾焚烧和填埋、食品制作、交通排放、轮胎磨损、路面磨损产生的沥青颗粒及道路扬尘，是重要的环境和食品污染物。AHR是一种重要的配体依赖性转录因子，调控数百种靶基因的转录表达，进而发挥多种重要的生物学功能。在无配体结合情况下，AHR处于失活状态，与热休克蛋白-90、p23和芳香烃受体相互作用蛋白等分子伴侣结合后锚定于细胞质中［26-28］。

柴油机排气微粒是欧洲城市颗粒物的主要组成部分，流行病学研究证实，柴油机排气微粒暴露与呼吸道症状和哮喘发作有关，多环芳烃化合物是柴油机排气微粒的主要成分，在此过程中能够激活AHR和随后的线粒体活性氧的生成［29］。还有学者发现，AHR的激活与吸烟导致的癌症有关［30］。拮抗剂ch223191处理人原代呼吸道上皮细胞后，发现微粒化学提取物诱导CYP1A1和CXCL10衰减均具有AHR依赖性，基底和TLR相关蛋白CXCL10也明显减少［31］。细颗粒物诱导的氧化应激可上调Ⅰ期和Ⅱ期代谢酶表达，也是由于激活了Nrf2和AHR［32］。

环境烟尘和黑炭可导致人类许多疾病，而者均由烃类不完全燃烧后形成。氧化应激、DNA甲基化、DNA加合物形成和AHR激活是煤烟和黑炭诱发癌症的关键机制。肺树突状细胞、T辅助细胞2型细胞和肥大细胞的活化是煤烟或黑炭引起呼吸道疾病的关键介质［33］。

异位性皮炎在全球范围内日益增加，最近研究也被证实其可能与空气污染有关［34-36］。异位性皮炎的发生机制可能为污染物的各种有机成分激活转录因子AHR。研究者通过使用基因改造小鼠，使其角质形成细胞表达组成型活性AHR，发展为特应性皮炎样表型，通过空气污染物诱导alloknesis酶表达AHR的活化，AHR活化和青蒿琥酯蛋白表达在特应性皮炎患者的表皮组织内呈显著正相关［37］。低分子量的多环芳烃不激活AHR，而引起的是轻度炎症［38］。

5 小结与展望

大气污染对健康危害的机制研究，目前比较公认的是炎症和氧化应激。膜受体作为细胞对外界刺激的感受器，能够将污染物作为刺激信号接收，并激活细胞内一系列的生物化学反应，长时间过度刺激后最终导致炎症和氧化应激。因此，膜受体在空气污染的致病机制中发挥极为关键的识别和传导作用。本文综述了4种常见的膜受体，事实上还有很多比较重要的受体如清道夫受体、C类凝集素受体和巨噬细胞受体等均在机体中发挥重要作用。目前，虽然空气污染致病机制研究已经取得了一定进展，但对健康危害反应机理的解释仍不完全明确。膜受体的识别研究也还有待进一步深入，特别是有关巨噬细胞表面PRR与其配体结合机制的研究，是探索先天性免疫的关键性环节。希望随着大量研究的深入，更多的机制会被人们所认知。

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